先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证

本文简要介绍了中国燃气涡轮研究院在先进涡扇发动机空气系统与零件传热设计技术验证方面的研究情况,内容涉及发动机空气系统设计技术、零件热分析设计技术、涡轮叶片冷却设计技术及新型铸冷双层壳型高效涡轮冷却叶片设计中的关键技术。探讨了空气系统与零件传热设计技术中的设计计算方法、设计软件校核与改进、试验研究与参数测试、以及设计体系建设等问题,通过系统的模型、部件和发动机整机三个层次的试验验证,初步形成了空气系统与零件传热设计体系。     

某型燃气涡轮发动机风车状态内阻力的计算

由于很多燃气涡轮发动机都缺乏计算风车特性必需的低转速状态的部件特性，给计算发动机风车状态的特性带来了很大的困难。但是，风车特性是燃气涡轮发动机设计和使用过程中必须考虑的，因此，本文参考尤．阿．李特维诺夫提出的计算发动机风车特性的方法，计算了燃气涡轮发动机风车状态时的内阻力。从计算结果分析，该方法不依赖于部件特性，非常适合燃气涡轮发动机的风车特性计算。     

某型涡扇发动机起动和加速过程数值模拟

借助国内外涡扇发动机过渡态数值模拟研究的最新成果,开展了某型涡扇发动机起动加速过程的数值模拟研究。首先参照风机和泵类机械低转速部件特性相似理论,结合指数外插法,成功地发展了航空燃气涡轮发动机低转速部件特性扩展方法和计算程序;其次,基于燃气涡轮发动机部件匹配原理,写出描述部件内动态流动过程的三个基本方程：动量守恒方程（功率平衡方程）、流量连续方程和能量守恒方程;最后发展了具有一定计算精度的涡扇发动机起动加速过程的数值计算模型和程序,对某型涡扇发动机的起动和加速过程进行了数值分析,并与试验数据进行了对比分析。结果表明,给出的数值计算结果与试验数据具有较好的一致性,表明发展的模拟涡扇发动机起动加速过程的数学模型和程序是合理的。     

二次启动前火箭发动机泵构件温度特性数值计算

用数值计算的方法研究了液体火箭发动机在二次启动前，发动机泵系统各构件的温度特性和泵腔含汽率。建立了基于集总参数法的发动机启动前排放过程中涡轮、泵及进口管的温度变化计算模型。排放冷却过程中冷却剂N2O4的单相强制对流换热系数用Dittus-Boelter公式计算，流动沸腾换热系数采用Shan M M强化模型。并对某液体火箭发动机二次启动前排放过程涡轮泵系统各构件温度变化和泵腔含汽率进行了计算，模型计算结果与试车数据吻合良好，研究结果表明，二次启动前的主动排放过程对泵壳体及进口管的冷却效果很好。     

涡轮冷却技术对航空发动机性能的影响

为了分析不同涡轮冷却方式以及冷却技术水平对航空发动机性能的影响,建立了航空发动机性能仿真模型,引入了考虑冷气用量以及冷却附带效率损失的涡轮冷却算法。计算结果表明:在相同的热力循环参数下,对流气膜冷却对应的发动机单位推力、热效率以及耗油率均较为良好,综合表现最佳;就对流气膜冷却而言,若冷气用量以及冷却附带效率损失均减少20%,则发动机耗油率降低0.9%,单位推力提高3%。     

引气冷却模型对涡轴发动机总体性能的影响研究

随着现代涡轴发动机性能的不断提高,其热力循环参数和引气量显著增加。针对这一问题,建立考虑压气机引气位置可变和涡轮中冷却气参与做功的涡轴发动机性能计算模型。当压气机引气位置变化时,采用流量平衡和功率平衡同时修正法计算发动机性能;涡轮冷却计算模型则考虑了第一级导向器叶片冷却气的做功。与传统涡轴发动机性能计算模型的计算结果对比表明:本文的计算模型能够合理反映引气量和引气位置对发动机特性的影响,更接近发动机的真实物理过程,可为发动机空气系统设计提供输入。     

射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能模拟

为扩展吸气式涡轮火箭发动机工作范围,提高发动机性能,在常规涡轮火箭发动机基础上加入射流预冷系统并修改热力模型,建立了射流预冷却吸气式涡轮火箭发动机性能计算模型。在给定航迹和控制规律下分析了不同压气机进口限制温度对喷水量、净推力和比冲的影响。仿真结果显示加入射流预冷器可以极大的扩展涡轮火箭发动机的工作范围,在高马赫数下可以极大的提高涡轮火箭发动机的净推力。     

燃气涡轮发动机叶片检测技术

本文对燃气涡轮发动机叶片的测量技术发展进行了分析与总结,从早期的测量模型到未来的三维数字测量与评定模型,以及各类测量方法得到特点入手,描绘了燃气涡轮发动机叶片测量技术的发展历程,对未来技术进行了展望。     

加力式SteamJet发动机性能模拟

为了研究射流预冷却涡轮发动机(SteamJet)的发动机特性,建立了喷水预冷却的热交换系统计算、物性修正计算和发动机部件特性修正计算的数学模型,建立了基于双轴混排加力式涡扇发动机的Steam-Jet发动机性能计算模型,并编制了相应的计算程序.计算分析了SteamJet发动机在不同风扇进口总温下沿飞行轨道的特性,以及喷水预冷却对发动机加力燃烧室的影响,并对SteamJet发动机风扇进口总温进行了合理的选择;对加力式SteamJet发动机进行了高度速度特性的计算和分析.结果表明,SteamJet发动机可大幅度拓宽涡轮发动机的工作范围,与非加力式SteamJet发动机相比,加力式SteamJet发动机具有更好的推力特性,能够满足高超声速飞行的需求.      

密布小孔构件的振动分析

以航空燃气涡轮发动机中密布小孔的涡轮冷却叶片为对象，将试验研究与有限元数值分析有机结合，建立了一种新的可准确算出上述叶片振动特性的混合法，在大量试验分析的基础上，得到了小孔排列方式和开孔率对叶片固有振动频率的影响规律，并用数学函数表示出来，运用等效概念，提出等效准则，将小孔效应用等效参数表示，并引入有限元数值分析中，得到了满意的计算结果；与试验数据十分吻合，相对误差约为3.4%。     

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

空气系统对核心机性能敏感性的影响

为了确定空气系统不同位置引气量对核心机性能的影响，给总体性能和空气系统设计提供依据，以某型核心机设计过 程为例，将空气系统设计迭代到总体性能设计中，研究了空气系统对核心机性能和部件特性的影响，并开展了空气系统对核心机 性能的敏感性分析。结果表明：每个引气位置引气量的增加均会导致燃烧室出口温度的升高，其中用于涡轮转子冷却的引气对燃 烧室出口温度的影响最大，其次为第5级压气机引气，再次为用于涡轮导向器冷却的引气，影响最小的为用于涡轮后机匣冷却的 引气。将空气系统设计结果迭代到核心机性能模型中，迭代后的压气机和涡轮工作特性发生了变化，压气机共同工作线受引气量 增加的影响稍微下移，涡轮落压比由于燃烧室出口温度的升高而减小。     

基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态建模

从热力学、气体动力学和发动机基本原理出发,对基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态性能建模技术展开了研究,并推导出了基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态数学模型的求解方程组.基于该模型方程组,利用C++面向对象编程语言,建立起了某齿轮传动涡扇发动机的动态模型.该发动机动态模型与著名的商业化发动机性能计算软件Gasturb 10进行的比对显示:该模型的运算结果与Gasturb 10的运算结果具有良好的一致性,最大误差不大于1.5%.证明了基于流量法的齿轮传动涡扇发动机动态数学模型求解方程组的正确性和适用性.      

涡轴发动机性能在线监测技术研究及试验验证

研究了基于模型的涡轴发动机性能在线监测技术,开发了涡轴发动机性能在线监测软件,并进行了真实台架试车试验验证.试验结果表明:软件能够自动判断发动机是否已进入准稳态工况,并根据当前的大气条件、燃气涡轮转速、动力涡轮转速,实时计算发动机其它状态量与性能量,如压气机增压比、动力涡轮前温度、轴输出功率、耗油率等.与模型计算结果相比,被试发动机压气机增压比稳态测量值最大偏低2.3%左右,反映了被试发动机与基准发动机之间的性能差异,验证了涡轴发动机地面台架试车性能在线监测技术的有效性.      

涡扇发动机高压涡轮前温度组合估计方法

考虑到目前暂无法实现机载条件下高压涡轮前温度直接、可靠的测量,提出一种用于涡扇发动机高压涡轮前温度估计的方法.基于涡扇发动机的能量守恒原理,建立高压涡轮前温度与气路参数的热力学关系,进而推导出高压涡轮前温度的6个估计模型.将各温度模型中不易测量的参数以整体的形式作为温度模型系数,并利用某涡扇发动机性能仿真模型建立温度模型系数与可测状态参数的多项式关系,最终确立高压涡轮前温度的组合估计模型.验证结果表明:组合估计方法在发动机健康及性能衰退状态下都具有较高的精度,其性能最好模型的方均根误差不超过1%.与已有线性拟合、神经网络等方法的对比也表明组合估计方法不论在精度还是性能稳定性方面都具有明显优势.      

可扩展的燃气轮机仿真对象模型

应用面向对象的分析与设计方法进行可扩展的燃气轮机仿真建模研究。将燃气轮机仿真的各种计算任务概括为部件计算、流路计算和系统状态计算三个层次,并在此基础上提出节点-连接器-部件模型,构造了一个部件模型、工质流程及仿真算法均可扩展的仿真类属框架,并通过一个三轴燃气轮机的容积效应法仿真验证了该模型的有效性和可扩展能力。      

基于综合设计的涡轴发动机热力循环方案研究

为了对比研究不同热力循环参数的涡轴发动机方案,建立集总体性能设计、尺寸流路设计、部件初步气动设计和重量估算的总体/部件为一体的综合设计模型,利用部件效率/气动负荷耦合设计和涡轮冷气量计算模型,实现发动机总体/部件的耦合设计。结果表明:在现有的设计技术水平下,低压比方案、高涡轮进口总温方案以及低压比和高涡轮进口总温的组合方案各具优势;高热力参数方案的设计必须以技术的进步为前提;未来涡轴发动机的总体设计将会沿着高热力循环参数和低热力循环参数两种方向发展。     

脉冲爆震涡轮发动机共同工作特性

为了研究脉冲爆震涡轮发动机（pulse detonation turbine engine,PDTE）共同工作特性和整机性能,建立了其共同工作分析模型。一方面,利用该模型对PDTE原理样机的性能进行了评估并与试验结果进行对比,计算结果表明,模型计算误差不大于11.2%,随着工作频率的提高,PDTE原理样机推力可进一步提升,但共同工作线朝压气机喘振边界靠近。另一方面,以某涡喷发动机为原型,对利用脉冲爆震燃烧室（pulse detonation combustor,PDC）替换主燃烧室后的整机性能进行了研究。计算结果显示:保持PDTE的迎风面积和涡轮前温度与原涡喷相同,PDTE的最佳压气机增压比从原发动机的5.5减小到2.25,当PDTE工作频率达41.5Hz时,流量与原涡喷相同,此时推力比原涡喷提升20.2%,耗油率降低14.0%。